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无线网络突破嵌入式领域的智能计量技术

[日期:2012-06-25] 来源:电力软件网  作者:未知 [字体: ]

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  智能计量的主要功能除了对能源消耗的测量、控制和对系统的故障的诊断外,还强调了不同系统间的互联互通,使嵌入式产品如MCU等,与无线技术紧密结合,是突破嵌入式技术的新兴快速增长领域。

  MCU如何实现智能电网的智能性

  飞思卡尔半导体(Freescale)是智能电表MCU产品的代表厂商之一,其于2010年初面向中国国家电网对智能电表的标准推出了MZ60系列MCU。随后为满足市场需求,飞思卡尔继续扩大其新一代智能MCU阵容,推出定位全球计量市场的高度集成的单芯片方案,包括适用于单相电表和流量表应用的低功耗、经济高效的8位MC9S08GW6微控器,和面向计量应用的超低功耗LCD MCU—MC9S08LH64/36,同时大举提高针对智能计量表市场的MCF51EM 32位ColdFire V1系列产量,为迅速开发出符合不同要求的智能电表产品提供强大的专业技术支持。

  智能计量继续表现出强劲的增长态势。智能电网的普及为相关产业带来巨大的发展机遇,智能电表受到产业拉动;但伴随着对电表功能和性能需求的提高,成本压力也逐渐增大。飞思卡尔认为,智能电表对MCU的技术挑战主要有以下几点:系统成本、系统功耗、掉电和电表失效时的数据保存、防盗电、日趋复杂的电表设计对各种接口和通信模块的需求、更加严格的EMC/EMI需求、与传感器的接口、安全的现场升级能力等。另外从市场需求层面看,智能电表方案面临的最大挑战是成本,同时成本也是整个智能电网概念的最核心驱动力,其牵动了从电厂、传输,到最终端家庭用户的所有环节,因此也牵动了为这些环节提供方案的半导体厂商。

  飞思卡尔工业和多元市场微控制器部亚太区市场经理曾劲涛表示,智能电网需要以下几个核心模块来实现智能化:计量网关(Metering Gateway)、AMI(自动计量基础设施)、AMM(自动计量管理模块)和AMR(自动读表)。其中计量网关为用户提供宽带网络支持;AMI是智能电网的主干,可实现双向电网和资源的优化;AMM主要负责数据管理和计费,保证功耗等信息的质量;AMR则为关键环节提供支持,提供远程读表功能,可配置为内部或外部模块(图1)。


  图1,智能电网构想,其可为AMI、AMM、AMR提供产品和技术。

  德州仪器(TI)近期也将目光瞄准成长中的MCU市场。收购Luminary后,TI构建起完整的MCU产品阵营。TI认为,随着汽车与工业电子等主力市场的逐渐回暖,消费电子、智能家居、移动计算、智能电表以及医疗电子等新兴应用市场迅猛发展,其在MCU领域基本形成了超低功耗MSP430(MCU)、基于 Cortex-M3的Stellaris 系列处理器及高性能 C2000实时控制器等几大平台,以低功耗、高通用性及高性能等不同特性,提供能满足各种应用领域的MCU产品。

  TI的16位MP430系列是TI广泛用于智能电表的代表性MCU产品;其中MSP430FE42X系列将计量模块直接嵌入在MSP430内部,组成集成计量芯片的单向电表MCU方案,使电表的设计难度和成本都得到降低。当然,MSP430FE42x并不是电能计量模块与MSP430的简单结合,它还提供了对内部模块的控制。如果用在单相电表的设计,设计者可以直接启动内部电能计量模块ESP430;而对于其它需要16位A/D的产品时,则可以禁止ESP430模块,直接对前置可变增益放大器和A/D转换器控制,是其在产品设计中有很大的灵活性。

  MSP430FE42x具有三个通道独立的16位Sigma-Delta架构ADC,并非如通常单片机那样采用模拟开关切换分别进行转换的方法。此外,MSP430FE42x还内置16位计时器,LCD驱动、14个I/O接脚、放盗电功能等。

  DSP方案强调信号处理能力

  除用于控制的MCU以外,具有强大信号处理能力的DSP也是智能电网的热门产品,其中较有代表性的产品为ADI公司的Blackfin产品线。低成本Blackfin处理器具备处理仪表级原始实时用电数据以及实现仪表和电网之间通信的能力,可提供一站式、低成本、易于配置的解决方案。由于供电公司智能电表的部署范围不仅仅覆盖本地电网,因此基于Blackfin的电表部件还能够通过软件轻松升级,以符合本地或国家特有的不同通信标准。

  ADI认为,智能仪表技术的真正受惠者是环境。在实现实时智能抄表的技术以合理的价位出现之前,现有的信息是不充足的,无法发现或者纠正能量浪费行为。借助Blackfin的实时能量采集和通信能力,电力公司现在拥有了节约使用能量所需的信息,直接减少了环境中的碳排放。在本地和全国范围的供电系统内增加使用智能电表是实现精确、可靠的电能管理的关键。电费单如果不仅包含每个月的电费信息,还能明确列出按日期时间以及按耗电的电器分类所产生的电费和电能使用情况,将让家庭更清晰地了解每月的耗电情况。更为理想的场景是,假定电力公司能够借助采集的这些实时信息的能力,为那些将用电时间从用电高峰时段转到非用电高峰时段的用户提供大幅折扣,比如,在晚上九点而不是晚上六点半使用洗衣机的用户回馈电能信用额度等。

  ADI最新推出的Blackfin ADSP-BF592产品(详细产品资讯,请见:超低成本DSP产品兼具数据处理与MCU功能)十分适用于智能电表等智能计量系统中。ADI公司处理器及DSP部门市场总监Colin Duggan在采访中表示,智能计量是能源系统升级的核心部分,其带来的收益主要有以下几个方面:对环境的保护和某些能源依赖性的降低,以及对能源利用更高的效率。目前美国等地区利用无线射频方式实现抄表是一个很好的方式,相关标准也在制定当中。各国智能电表方案差别很大,因此要考虑到区域性差异,除了支持无线抄表方式,还支持中国市场比较倾向的电力线PLC方式。其次,由于一块智能电表的设计寿命可能达到10年~15年,这就要求除了硬件本身的高质量、高可靠性,软件升级功能也是必不可少的。最后,安全性是各国政府和电力机构十分担心的问题,电表的设计要能与中央监控室(Central Office)实现实时监控,还要对电表的存储加以保护。

  Colin Duggan谈到,Blackfin ADSP-BF592的丰富接口可以使设计者更方便地将其连接到各种设备及主处理器中。值得指出的是,由于Blackfin产品结合了DSP和MCU的功能,设计者可以按需求决定是否需要主控制芯片(Host Processor)。例如在某些简单应用中甚至可以省去这部分成本而直接用一颗BF592同时实现信号处理和中央控制功能;而对于复杂系统或者有较大存储空间的应用,则需要外接一颗主控制芯片。基于 Blackfin 的智能电表不仅能够满足目前的设计要求,而且还为下一代能量管理技术、整合新型全异电网设备以及用户可选的用电信用额度应用作好了准备。随着未来标准的发展,这些应用只需通过电网即可下载到基于 Blackfin 的仪表部件中,实现一种无缝传输。

  早在BF592之前,Blackfin就已被西门子采用用于智能电表的设计。Colin Duggan介绍说,西门子自动抄表信息系统(AMIS)在其智能电表技术的核心利用ADI公司的Blackfin处理器。在AMIS设计阶段初期,西门子公司就认识到要实现这个目标,智能电表就需要以较低的单价提供非凡的表内处理能力、动态和电网一体化通信以及真正的可扩展性。西门子公司选择了 Blackfin汇聚式处理器,这是因为该处理器具备同时作为DSP和MCU进行无缝工作的能力,特别适合西门子AMIS的高处理和动态通信应用要求,并且实现了极具成本效益的计算性能,以及耗电信息统计的功能。这样就同时给电力公司和用户提供了管理电费的能力并可最终实现节约使用珍贵的电能资源。

  Wi-Fi:早期参与 占据中国市场主动

  无线通信使智能计量和智能电网的概念进一步延伸,并有望通过常用的技术扩展到智能家居。通信技术厂商博通(Broadcom)就是这一概念的倡导者,其提出了突破传统嵌入式应用的“深入嵌入式技术”,主张将基于Wi-Fi技术广泛用于现有的嵌入式产品中,例如家庭无线网络与智能计量手段的结合。

  博通公司表示,由于Wi-Fi在家用无线网络中的高普及率,利用Wi-Fi作为智能计量的一部分具有很大的优势。拿电表举例。目前智能电网后端(Backhaul)的抄表方案主要分为无线和有线两种,前者利用红外和ZigBee技术;后者利用电力线载波(PLC)。在抄表环节的前一个环节,则可利用Wi-Fi技术来收集家用电器的耗电数据(图2)。


  图2,基于博通Wi-Fi“深入嵌入式应用”的智能计量方案。

  电力载波信号容易受到干扰,不够稳定。红外容易被障碍物阻挡,功耗也较高,是单向传输的。而ZigBee RF可在三五十米之内传输,可穿越障碍物,其功耗低并且支持双向传输(可调整电价)。

  博通公司资深副总裁兼无线局域网络事业部总经理Michael Hurlston认为,目前美国市场以ZigBee作为主要的信息收集手段并不是因为ZigBee比Wi-Fi更加先进或适用,而是在美国智能计量市场需要一种无线通信标准作为支撑时,Wi-Fi没有及时提供相应的标准来实现这一功能。因此,美国市场对这一标准的选择实际与技术无关,而是Wi-Fi没有对智能电网投入应有的注意力造成的,因此也导致Wi-Fi丧失了美国智能电网市场。所以,博通把目光转向中国市场。“目前中国正处于智能电网建设的早期阶段,各种技术标准的选取尚未定型,早期的参与会使Wi-Fi占据更主动的地位。”

  Michael Hurlston还表示,除“先入为主”的市场选择,即使不考虑其它因素,Wi-Fi在技术上也更优于ZigBee。他说,Wi-Fi广泛用于家用电器。电视、PC等耗电设备由于已经或即将具备Wi-Fi功能,功耗数据可无障碍地实现共享,对于空调、冰箱、洗衣机等家电设备就需要一颗特殊的芯片,即集成了 Wi-Fi软件栈集的芯片。这种芯片的难度和成本都很低,可以轻易地普及到普通家电产品中。

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